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低溫學的奧秘──《知識大圖解》

知識大圖解_96
・2015/12/31 ・3171字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

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Photo credit: ChefSteps @Flickr

在極低的溫度下,物質會開始出現奇特而神祕的性質。

低溫學是研究極低溫度的一門科學。這個領域的研究目標是了解如何產生與維持絕對溫度123度或是攝氏-150度以下的低溫,同時研究在這種低溫環境下,各種物理、化學及生物作用會產生什麼變化。

分子的隨機運動會產生熱,而溫度只要下降,分子運動就會開始變慢。但根據熱力學定律,這種情況並不會永遠持續下去,一旦到達某個極限,分子就會完全停止熱運動;這個極限被稱為絕對零度或0K(相當於攝氏-273.15度),也就是可能達到的最冷溫度。

當物質的溫度接近絕對零度時,其性質會大幅改變,例如氮氣與氧氣等永久氣體達到絕對溫度數十度時會變成液體,可作為太空船燃料,或用於快速冷卻食物以供保存,甚至能應用在外科手術,移除受損細胞;鈮合金(niobium alloy)降至接近絕對零度時,會完全失去電阻而成為超導體,能用來製造強大的電磁鐵,將次原子粒子(subatomic particle)加速到接近光速。而當溫度降至絕對溫度2.19度,甚至是更低時,液態氦會失去黏度而變成超流體(superfluid),超流體的特性非常神奇,能夠沿著玻璃燒杯往上流。

讓我們一同探索低溫學的奧祕,深入瞭解這個正將科學極限推向另一個境界的學問。

用低溫電子學為歐洲核子研究組織保冷

通過導體的電流會受阻於物質的電阻,但是當某些金屬的溫度下降時,其電阻也會跟著降低。在某些情況下,導體處於超低溫時,其電阻會突然降至零,因而變成超導體。

歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱LHC)之中導引粒子束運行的主要電磁鐵被液態氦冷卻至絕對溫度1.9度(相當於攝氏-271.3度),這比在外太空還冷,因此電阻會完全消失,以防止能量轉為熱能逸失。

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期(2015年12月號),全見版請點擊本圖放大。

冰凍死人

低溫學vs人體冷凍技術

談到低溫學(cryogenics),許多人腦中浮現的第一個畫面是屍體被保存在冷凍櫃,期待有朝一日能復活。科幻片讓這種想法大為風行,而且美國已有專門機構負責進行這種服務,但冷凍屍體的技術目前仍非常缺乏科學根據。

科學家很謹慎地將低溫學與冷凍屍體的過程──也就是所謂的人體冷凍技術(cryonics)──加以區隔;在準備接受人體冷凍技術的病人死亡後,他的血液將被一些化學混合液取代,目的是在冷凍過程中保護脆弱的細胞。

完成以上的程序後,會用液態氮冷凍人體,並將人體放入儲存槽內。負責進行人體冷凍的公司不須經過科學或醫學認證,冷凍過程中的某些工作甚至可能由志工進行。

冰凍人體確實是個令人振奮的構想,但目前還沒有證據顯示這種人體冷凍技術能夠奏效。

提供火箭燃料

低溫學的主要應用範圍之一是太空旅行;第一部使用低溫燃料推動的火箭是美國航太總署(NASA)的半人馬座火箭(Centaur)的末段引擎,於1963年成功發射。

最常用的成對低溫燃料是液態氫(LH2),而液態氧(LO2 或LOX)則用來助燃。氫氣是很輕的氣體,在氧氣中能完全燃燒,將這兩種氣體冷卻至極低溫後,可將更多燃料擠入燃料槽。

燃料槽在太空飛行期間會曝露在不同的熱源之下,像是引擎廢氣、太空船摩擦大氣層產生的熱,還有來自太陽的熱。為了讓燃料保持液態,燃料槽不但要有良好的絕熱能力,同時也要能忍受內部液體燃料的極端低溫。

一般而言,這些燃料都裝載於重金屬槽,不過NASA與波音公司都致力於發展革命性的綜合材質燃料槽,將比標準低溫槽輕30%。未來這些燃料槽將能攜帶更多燃料,使太空船能飛到太空中更遠的地方。

讓金屬更堅韌

當金屬從液態冷卻成為固態時,會形成晶體結構,個別原子也會排列成有規律的晶格,但這種方式通常會產生缺陷。傳統上會用熱處理來補救,也就是讓金屬再變回液體,以減低壓力、填補空隙,但這種工序並不夠完全。只要運用低溫學,熱處理鋼無法補救的缺陷與應力都能被去除。

熱處理之後,金屬被緩慢冷卻至接近絕對零度;這個工序允許結構內部的特定成分移動,以填補微觀缺陷,使結構更為均勻。這種方式能減低應力,產生更緊密、更具韌性的金屬。經過冷處理的金屬能用來製造高爾夫球桿與棒球棒;金屬的結構越緊密,振動越小,也就會傳遞越多能量給球。

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期(2015年12月號),全見版請點擊本圖放大。

治療運動傷害

並非所有低溫冷凍技術都已發展成熟,如同體育界最近才興起所謂的「全身性低溫療法」(whole-body cryotherapy)。過去是用冰敷或浸泡冷水來治療運動傷害,而這種新療法則是透過讓患者在低溫室裡冷卻全身,以減輕運動傷害、肌肉與關節疼痛或是關節炎等症狀;這種療法奠基於日本在1970年代的一項研究。和水相較之下,空氣的導熱能力較差,因此與傳統泡冷水的方法比起來,待在低溫室時,身體的核心溫度受到影響的機率較低。

患者在進入以氮氣冷卻的房間後,會曝露在低於攝氏-100度的環境下約三分鐘。患者的四肢有衣服、手套、襪子、面罩和內衣覆蓋,但其他部位的皮膚就會曝露在極低溫之下。此時身體的自然反應是切斷對皮膚的血液供應,並將血液導向核心部位,讓熱量的流失降至最低,並維持適當的體溫。這種療法的副作用是讓大腦釋出稱為腦內啡的天然止痛劑,使人忘卻疼痛、感到愉快。

治療關節炎

冷療(Cryotherapy)的研究是為了治療關節炎之類的病症。曝露在低溫下可減緩神經傳導,透過降低肌梭的反應,將有助於減低肌肉痙攣;這種現象在生活中能輕易驗證,只要試想當你從天寒地凍的戶外進入室內後,嘗試用凍僵的手指解開你的上衣鈕扣。

寒冷的溫度也被認為能降低發炎關節裡具破壞性的酵素的活性,這種酵素叫做膠原酶,膠原酶會破壞骨頭上具保護功能的膠原蛋白軟骨。

針對許多關節功能失調病患的研究顯示,冷療能暫時降低患者的疼痛感,並維持大約90分鐘,讓病患有空檔在這段時間內進行物理療法或是其他介入療法,否則患者在治療過程中可能會感到非常不舒服。由此可知,即使冷療不具有長期療效,但是在與其他療法結合之後,仍然有顯著的醫療效益。

冷療手術

極低溫帶來的破壞作用已被應用於醫學治療;液態氮的極低溫度現今普遍用在消除疣或癌細胞等異常細胞。

這種療法的進行方式會根據不同狀況而有些微差異,可能會利用棉花棒、噴槍,或是名為冷凍探頭(cryoprobe)的中空管將液態氮直接噴灑於身體受感染的部位。

冷療手術會迅速將受傷的組織冷凍,並消滅掉異常細胞。這種療法比藥物治療更為精確,可能傷及的周圍組織和疼痛感也會比外科手術更小。

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期(2015年12月號),全見版請點擊本圖放大。

超低溫保存法

在極低溫之下,生物程序會近乎停止;缺乏熱能導致酵素活性趨緩,活細胞幾乎能被無限期保存。

不過,活細胞的超低溫保存準備工作絕非易事。細胞的微觀結構相當脆弱,因此可能在低溫時被內部膨脹的水分脹破、變成碎片;當水形成冰後,溶解出的離子、鹽分和其他分子也會濃縮,擾亂細胞內原本的化學平衡。

低溫保護劑(cryoprotectant)這種化學物會被用來保護細胞,以避免上述的情況發生;其中的甘油、二甲基亞碸(dimethyl sulfoxide,簡稱DMSO)或糖會被用來取代水分,阻止冰晶形成,或改變其形狀與大小。接著會用液態氮迅速冷卻細胞,使其越過所謂的玻璃轉化溫度(glass transition temperature),之後水分就會凍結成一種像玻璃而不像冰的固體,然後這些細胞就能安全地貯存在低溫的液態氮蒸汽裡。

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期(2015年12月號)

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Starship 試射雖敗猶榮?萬眾矚目的星艦還有哪些新設計?
PanSci_96
・2023/05/07 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

你有看到幾天前馬斯克的超大火箭爆炸新聞嗎?怎麼火箭快速非計畫解體了,SpaceX 的員工們還歡聲雷動、雀躍不已呢?

就讓我們來一起認識乘載 SpaceX 火星夢的下一代超重型運載火箭:星艦 Starship!

雖敗猶榮的首飛

萬眾矚目的 Starship 首次飛行於 2023 年 4 月 20 日登場。

倒數三秒開始,超級重型的三十三顆引擎在六秒內依序點火。在七千噸強大推力激起的漫天煙塵中,世界最大的火箭開始緩緩升空,並在幾秒後成功離開發射台,在朝陽中飛向深藍的天空。

但此時其實從直播畫面中就可以看到,並不是三十三顆引擎都成功點燃,其中有三顆一開始就沒有正常運作。但這不是什麼大問題,得益於先進的當代飛控以及火箭設計時保留的推力冗餘,星艦本來就可以在有幾個引擎失效的情況下繼續飛行。

升空後一分十八秒,即使陸陸續續有引擎故障等問題,火箭還是通過了最大動壓點(MAX-Q)。可以想像成火箭在飛行過程中,其箭身結構承受最大壓力、也就是最可能出現結構問題的時候。通過 MAX-Q 對任何一款新火箭都是重要的里程碑,這代表無論其他部分如何,至少火箭的整體結構設計是達標的。

升空後兩分二十一秒,火箭的飛行高度來到 28 公里,速度約兩馬赫。

此時也許是因為控制火箭推力方向的液壓系統故障,火箭的姿態開始明顯出現偏移,並漸漸失去控制,開始在空中翻滾。最終在翻滾六圈後,火箭的飛行終止系統(FTS)啟動,將火箭自行炸毀以降低火箭碎片造成傷害的風險。於是星艦與超級重型就在加勒比海上空,化成了一片超大型煙火。星艦的首次試射,帷幕就此落下。

Starship 試射影片。/
SpaceX YouTube

關於這場試射中火箭為何失控?達成多少測試目標?這些問題還有待 SpaceX 正式發布報告才能清楚知道。但無論如何,本次發射無疑是 Starship 開發的重大里程碑。對很多人來說,能夠飛離發射台、通過最大動壓,就已經是了不起的成功了。

SpaceX 的可重複使用之路

說到 SpaceX,大家首先想到的應該就是他們舉世唯一的可重複使用火箭——獵鷹九號(Falcon 9)。藉由在每次發射之後,讓第一節自行降落並重複使用在多次任務上,SpaceX 得以大幅降低每一次發射任務的成本,並在過去幾年中橫掃全世界的商業太空發射市場。

然而受限於先天設計,獵鷹九號只是一款「部分可重複使用」的發射系統。雖然火箭的第一節和前端的整流罩可以回收使用,但每一次發射,都還是會消耗一枚第二節火箭。

多年來,SpaceX 研究過各式各樣的方法,試圖把第二節火箭也帶回來。包括在火箭前端安裝隔熱盾,讓火箭可以承受高速重返大氣層產生的高溫;又或是異想天開地在火箭上安裝巨大氣球,讓第二節火箭可以在稀薄的大氣中盡可能減速,以降低火箭重返大氣層時會產生的熱量;但這些想法,最終都因為技術和成本上的考量而作罷。

獵應九號以星際大戰系列中的「千年鷹(Millennium Falcon)」,和第一節擁有的 9 個引擎作為命名依據。圖/維基百科

SpaceX 最終決定,放棄升級獵鷹九號,直接開發一款更大、更強而且完全可重複使用的次世代運載火箭。這就是我們今天的主角——星艦 Starship 。

星艦的設計理念

星艦的概念首度於 2016 年出現在世人面前。當時,馬斯克在國際太空航空會議(IAC)上宣布 SpaceX 將打造一款全新的運載火箭,以達成讓人類走出地球、成為跨行星物種(Multiplanetary Species)的理想,而火星就是第一個目標。

為了達成這個理想,這款火箭必須具備四大特色:

  1. 完全可重複使用;於每次執行任務後,整支火箭都必須可以回收再利用,才有辦法大幅降低發射成本。
  2. 能夠在軌道上重新加入推進劑(以下簡稱在軌加油);如此一來火箭可以先滿載貨物進入地球軌道,然後藉由多次的在軌加油把推進劑補滿,再出發前往目的地。
  3. 使用的推進劑必須能在火星製造;如此一來火箭就不需要攜帶回程的推進劑,從而攜帶更多的貨物。
  4. 必須使用正確地推進劑組合;除了要能在火星製造之外,推進劑最好便宜、容易儲存和傳輸。

針對這四項要求,SpaceX 最終開發出一款由不鏽鋼打造,使用甲烷與液態氧作為推進劑的兩節式超重型運載火箭。

火箭的第一節稱為「超級重型 Super Heavy」,其底部裝有 33 顆 SpaceX 開發的「猛禽 Raptor」火箭引擎,總共能夠輸出近 7600 公噸的推力,比冷戰時代送人上月球的農神五號火箭還要高一倍。

第二節則稱為「星艦 Starship」,高度 50 公尺底部裝有六顆猛禽引擎,並有兩對機翼可以在大氣層中控制火箭的姿態。能在重複使用的前提之下,將 100 至 150 公噸的酬載送入近地軌道,是人類歷史上最大、最強的運載火箭。

星艦(Starship)與超重型推進器(Super Heavy)原型機。圖/維基百科

不過,要注意的是,火箭的第二節叫做 Starship,但整個火箭系統(第一節+第二節)也稱為 Starship,有時要仔細聽上下文,才知道說的是整支火箭,還是只有單指第二節而已。

Starship 將怎麼完成 SpaceX 的火星夢?

假設今天 Starship 已經開發完成了,它將怎麼幫助人類完成未來的火星任務呢?

Starship 的全套系統運作原則如下:

火箭從地球升空後,第一節會像獵鷹九號一樣可以自行重返大氣層,並精確地回到發射台降落。而第二節則會帶著貨物與太空人先停泊於近地軌道,等待後續發射的多艘加油版星艦(Tanker)與它會合,把它的推進劑槽補滿。接著,星艦就可以啟程前往火星。

而在登陸火星後,太空人可以將火星上的二氧化碳與水轉變成甲烷與液態氧。利用這些火星製造的推進劑,太空人就能再次搭上星艦返回地球。

除了前進火星之外,還有許多重要任務也已經預訂要由 Starship 執行。

舉例來說,SpaceX 將開發一款「月球特化版 Starship」,用於在 NASA 的阿提密斯三號以及後續的登月任務中,負責將太空人從月球軌道帶到月球表面。Starship 也將用於發射數以萬計的第二代星鏈衛星,提供更強大的通訊服務。星鏈的成功,將為 SpaceX 帶來比發射火箭更多更穩定的收入。

隨著 Starship 逐漸成熟,其強大的運輸能力和低發射成本,將進一步將太空工程師們,從當前嚴苛的成本和重量限制中解放出來,得以放手設計更強大的衛星、太空船、太空望遠鏡,造福人類文明的各個領域。

當人類為了成為跨行星物種邁出第一步時,希望 Starship 已替那一步提供堅固的墊腳石。

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從古典熱力學跨足到量子時代!探索普朗克黑體輻射定律——《大話題:量子理論》
大家出版_96
・2023/04/15 ・1411字 ・閱讀時間約 2 分鐘

古典熱力學的擁護者——馬克斯.普朗克

普朗克的故事始於柏林的威廉皇帝學會物理系,就在 20 世紀到來之前。

普朗克是普魯士科學院的院士,非常保守。他沉浸在古典物理的傳統方法中,並且是熱力學的熱情擁護者。

事實上,從 1879 年(愛因斯坦誕生的那一年)發表的博士學位論文,到 20 年後他在柏林的教授生涯,他幾乎只致力於熱力學定律相關的問題。他認為熵的第二定律比一般所認為的還要更深入、廣博。

普朗克想以熱力學解開黑體問題。圖/《大話題:量子理論》

黑體問題的絕對性和普遍性吸引了普朗克。看來合理的論證表明,在熱平衡狀態下,輻射強度和頻率的關係曲線應該與腔體的大小或形狀無關,也應該與腔體的材料無關。

該公式應該只包含溫度、輻射頻率和一個或多個通用常數,這些常數在任何腔體或腔體顏色下,都是相同的。

找到這個公式,就意味著在理論中發現一個相當根本的關係。

歷史已經證明普朗克的見解甚至比他所想的要深入得多。1990 年,科學家使用 COBE 衛星測量了宇宙邊緣的背景輻射(即大爆炸遺留的輻射),並發現與他的黑體輻射定律完全吻合。

科學家後來發現宇宙背景輻射與普朗克定律完全符合。圖/《大話題:量子理論》

前原子時代的物質模型

普朗克知道他的朋友海因里希・魯本斯和費迪南德・科爾鮑姆的測量結果非常可靠。

普朗克首先在腔壁上引入電振子*的概念,在熱攪動下來回振動腔體壁。(*注意!此時對原子仍一無所知。)普朗克假定所有可能的輻射頻率都會出現。他也預期溫度更高時,平均輻射頻率也會增加,因為腔壁受熱會使振子振動得愈來愈快,直到達成熱平衡為止。

普朗克假設頻率會隨溫度增加。圖/《大話題:量子理論》

電磁學完整解釋了輻射的放射、吸收與傳播,卻沒有說明熱平衡時的能量分布。這是熱力學的問題。普朗克做出了某些假設,找出振子的平均能量與熵之間的關係,從而得出一個計算輻射強度的公式,他希望這個公式能符合實驗結果。

普朗克試著利用歸納的方式,改變對輻射熵的表達方式,最後得出了可描述整個頻率範圍輻射強度的新公式。

普朗克以歸納的方式得到了能描述整個頻率範圍的新公式。圖/《大話題:量子理論》

海因里希・魯本斯也參與了這場歷史性的研討會。他立刻回家將自己的測量結果與普朗克的公式比對。經過一整晚的努力,他發現數據與公式完全符合,隔天一早便通知普朗克。

普朗克找到了正確描述輻射定律的公式,很好。但他現在能利用這個公式,找出潛藏其中的物理嗎?

普朗克的新公式能符合實驗數據。圖/《大話題:量子理論》

——本文摘自《大話題:量子理論》,2023 年 3 月,大家出版出版,未經同意請勿轉載。

大家出版_96
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名為大家,在藝術人文中,指「大師」的作品;在生活旅遊中,指「眾人」的興趣。

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征服極端低溫!具有超強耐寒能力的細菌:冷紅科爾韋氏菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/10 ・1718字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • Colwellia psychrerythraea 
  • 冷紅科爾韋氏菌
  • 形狀:小桿狀
  • 顏色:淺紅色
  • 長:2.5 至 3.5 微米
  • 直徑:0.5 微米
  • 前進:使用鞭毛
冷紅科爾韋氏菌。圖/《細菌群像》。

攝氏 –196 度的世界

據當今研究結果所知,在生命出現的早期,地球上炎熱期與冰凍期交互出現,前者平均溫度可達攝氏五十度,後者溫度可低至地表完全凍結。火山爆發及隕石和小行星的撞擊,使地球溫度升高,經由化學反應及後來出現的生物反應消耗大氣層中的二氧化碳,又使地表變冷凍結。

對大多數的生物來說,今日地球是個既濕又冷的家。地表面積超過百分之七十全是海洋,其中三分之二又是寒冷的深海帶,終年溫度只有攝氏二至三度。地表上所有水域裡,淡水僅占百分之二點五,溫度卻也沒有太大差別:百分之九十的淡水,都儲存在極地冰塊及散布地球各處的冰河裡。

自人類開始定時測量並記錄溫度後,最低溫的紀錄是在南極測得的攝氏零下八十九點二度,不過那裡的溫度也從未上升到比結冰點還高。比較重要的是,有些地方雖有溫暖期,但在夜間或冬天會變得異常寒冷,像亞洲一些地方最高溫可達攝氏四十九度,但低溫時也會降到零下五十度。因此不難想像,為何這麼多的細菌都具有高溫差環境的適應力。

所有在低溫環境仍然活躍的細菌中,冷紅科爾韋氏菌特別引人注目:這種微生物在攝氏零下十度還可四處遊走,在攝氏零下二十度還能繼續生長分裂繁殖。甚至在攝氏零下一百九十六度超低溫環境,研究人員還可觀察到其新陳代謝的運作。

冷紅科爾韋氏菌能在液態氮(這可是能將花朵瞬間凍成易碎玻璃的物質)中將胺基酸吸收並用來組成自己的細胞。此特性要歸功於它的保暖聚合物及在細胞外作用的酵素,讓它被包覆在網狀的分子結構裡,就像穿了一件毛衣,保護其免於水分形成整齊的冰晶結構。耐寒細菌的細胞壁結構類似液晶,在極冷和高壓下仍然可以保持液態,這也解釋了為何它同時也耐高壓。

掌握低溫生物技術

科爾韋氏菌屬發現於一九八八年,發表研究結果的作者建議以美國微生物學家麗塔.科爾韋(Rita Colwell)之名來命名,以示敬意。科爾韋生於一九三四年,在一九六○年代發現沿海水域有霍亂弧菌,而且常寄生在以藻類為食的浮游性橈腳類[1]動物上。

在氣候溫暖或養分過剩導致藻類大量繁殖時,就會吸引這些細小的甲殼類動物前來,細菌也就隨之而來。科爾韋發現這項事實後,立即成立安全用水供應網,設法以盡可能簡單的工具,例如自造的過濾器,防止因飲用水造成的傳播感染。

此後,她還與其他伙伴一起創立 CosmosID 公司,以期快速檢驗出環境樣本中的細菌。為了向她致敬,南極一座山塊[2]就以她的名字命名。冷紅科爾韋氏菌的種小名 psychrerythraea,則由希臘文 psychros(冷)及拉丁文 erythraeus(紅色)組成,因這個細菌嗜寒並含有紅色色素。

科爾韋氏菌被應用於許多生物技術上。圖/envatoelements

冷紅科爾韋氏菌也可以在無氧的環境中存活,還可利用各種結構簡單或結構複雜的有機化合物做為養分。由於這種細菌能分解很多種含氮化合物,甚至還能利用硫來產能,因此相當適合利用它在寒冷地區處理環境污染問題。

除此之外,此種細菌也可能促進新疫苗的發明。科學家將病原菌重要的代謝基因替換成冷紅科爾韋氏菌的代謝基因,得到以下結果:病原菌在低溫下正常生長,但在常溫時停止生長,細胞逐漸死亡。這種弱化後的病原菌可用在活體疫苗,使身體在不受危害的狀況下產生足夠的免疫力。此法已在動物實驗中證實可行。

註解

  • [1] Copepoda,橈腳類或譯橈足類,海洋中數量眾多的一群甲殼動物。
  • [2] massif,又稱地塊,地質學中的一個結構單元,比構造板塊要小。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。